变频器

变频器(Variable-frequency Drive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。

正弦脉宽调制(SPWM)控制方式

其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 [8]

电压空间矢量(SVPWM)控制方式

它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 [8]

矢量控制(VC)方式

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 [8]

直接转矩控制(DTC)方式

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 [8]

矩阵式交—交控制方式

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。

具体方法是：

1、控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式;

2、自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别;

3、算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;

4、实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。

矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms)，很高的速度精度(±2%，无PG反馈)，高转矩精度(<+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时(包括0速度时)，可输出150%～200%转矩。

变频器是一种应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。其特点与用途如下：

变频器特点：

变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。

变频器还具有许多保护功能，如过流、过压、过载保护等。

变频器用途：

变频器在工业自动化领域得到了广泛的应用，尤其是在需要精确控制电机速度和转矩的场合。例如，在卷扬机类负载、转炉类负载、辊道类负载以及泵类负载等场景中，变频器都能发挥重要作用。在这些应用中，变频器能够稳定、可靠地运行，提高设备的可靠性和稳定性，同时实现节能和调速的目标。

变频器的维修保养是确保其可靠运行和延长使用寿命的关键环节。以下是一些维修保养的要点：

1、日常巡视检查：

每天认真做好变频器的日常巡视检查工作，包括检查其运行指示是否正常，运行方式是否与要求相符，运行参数是否正常，以及变频器柜内风扇、电抗器等的运行状况。

注意观察变频器内部是否有振动或异常声音，以及柜内是否有过热或出现电磁噪音的现象。如发现任何异常情况，应及时处理。

2、定期清洁与除尘：

定期对变频器进行检查，特别是对其整流、逆变部分和控制柜进行清洁和除尘，以清除变频器下进风口、上出风口的积尘。

保持变频器周围环境清洁、干燥，严禁在变频器附近放置杂物。

3、检查主要部件：

在每次维护时，重点检查主回路的平波电容器、逻辑控制回路、电源回路、逆变回路中的电解电容器、冷却系统中的风扇等关键部件。

检查散热器是否清洁，风扇是否畅通，电源线是否松动，以及使用负载是否适当，以避免因过热、电气故障或过载而导致损坏。

4、记录与维护：

每天记录变频器及电动机的运行数据，与合理数据对照比较，以利于早日发现故障隐患。

对于发生的故障，务必记录故障代码和跳闸时变频器的运行工况，以便具体分析故障原因。

变频器生产工艺主要包括以下几个关键步骤：

1、准备原材料：这包括电子元器件、电路板、电缆、外壳、散热器等。需要根据产品的设计要求选择合适的材料，并进行采购和入库管理。

2、电路板制造：电路板是变频器的核心部件之一，它承载着各种电子元器件，并完成信号的传输和处理。制造过程包括铺铜、蚀刻、钻孔、焊接等工序。首先，在电路板上铺上一层铜膜，然后通过化学腐蚀的方法将不需要的铜膜蚀掉，形成电路图案。接下来，使用钻床钻孔，并进行金属化处理以增强电路板的导电性。最后，通过自动焊接设备将电子元器件焊接到电路板上。

3、组装与调试：在完成电路板制造后，需要将各个组件进行组装，包括将电路板、散热器、外壳、电缆等部件进行连接和安装。同时，还需要对变频器进行电气连接和接线，以确保各个部件能够正常工作。

4、质量检验：质量检验是变频器工艺流程中非常重要的一环，确保产品质量达到要求。

在使用变频器时，为了确保其正常运行和延长使用寿命，需要注意以下事项：

1、安装位置与环境：

变频器应安装在干燥、尘土少的地方，并远离水源和腐蚀性气体。

确保变频器周围有足够的空间，以便散热和维护。

避免安装在产生水滴飞溅的场合，以防湿气进入变频器内部。

2、电源与接地：

变频器的电源必须稳定可靠，避免因电源问题导致变频器故障。

变频器应正确接地，接地电阻小于10Ω，以抑制射频干扰并防止因漏电引起电击。

3、操作与维护：

严格遵守操作规程，禁止单人在现场操作、维护。

在操作变频器时，确保双手干燥，避免水滴进入变频器内。

变频器接通电源时，即使处于停止状态，其端子仍带电，禁止接触。

变频器的维护必须由经过培训的专业人员进行，并确保遵守高压操作规程。

4、负载与散热：

根据负载类型和工作需求调整变频器的参数，确保最佳性能和稳定性。

注意散热问题，避免过度密封，确保变频器散热良好。

5、其他注意事项：

在使用变频器控制电动机转速时，注意电动机的温升及噪声可能会比使用工频时高，应适当通风冷却并减轻负载。

当电网三相电压不平衡率大于3%时，可能会造成变频器及连接过热或损坏电子元件，此时需加装交流电抗器。

避免在变频器输入侧使用接触器等开关器件进行频繁启停操作。

变频器故障排查是确保设备正常运行的关键步骤。以下是一些常见的变频器故障及其排查方法：

1、屏幕无显示但灯频闪：

检查电源部分是否有故障。若电源板上的电源各输出都有明显的闪动，可能是电源短路。此时，可以用手接触各元器件，检查是否有异常高温的部件，如IC408。若发现异常，用万用表测量其内部是否短路，必要时进行更换。

2、面板显示时好时坏：

首先检查电源接触是否良好。如果电源正常，进一步检查功率板到控制板之间的线排，看是否有接触不良的现象。更换损坏的线排后，重新上电测试。

3、整流桥损坏：

使用万用表进行静态测试，检查整流电路和逆变电路是否正常。如果发现阻值三相不平衡或电阻无穷大，可能说明整流桥或起动电阻出现故障。

4、逆变模块或驱动电路故障：

若变频器输出端和电动机侧的三相电压均不平衡，可能是逆变模块或驱动电路问题。若只是电动机侧电压不平衡，应检查变频器和电动机之间的线路。

5、欠压或过压故障：

对于欠压故障，首先检查电源是否缺相，然后检查整流回路和直流检测电路。而过电压报警通常与减速时间过短、制动电阻以及制动单元有关，需要逐一排查。

6、过电流报警：

检查电源主回路通道是否正常，测试变频器输出电压是否缺相。如果主回路正常，但输出电压异常，可能需要进一步检查逆变模块或输出端的负载情况。

在进行故障排查时，务必注意安全，确保设备已断电，并遵循相关操作规范。如果无法确定故障原因或解决问题，建议联系专业的变频器维修人员进行检查和维修。同时，定期对变频器进行维护和保养，可以有效减少故障的发生，延长设备的使用寿命。